CU-Wissenschaftler beleuchten, was passiert, wenn Sie fließen | CU Boulder heute

Bannerfoto: Ein leistungsstarker grüner Laser hilft, Aerosolschwaden aus einer Toilette zu visualisieren, während sie gespült wird. (Bildnachweis: Patrick Campbell/CU Boulder)

Dank neuer Forschungen von CU Boulder sehen Wissenschaftler die Wirkung der Toilettenspülung in einem ganz neuen Licht – und jetzt kann die Welt das auch.

Mit hellgrünen Lasern und Kameraausrüstung führte ein Team von CU Boulder-Ingenieuren ein Experiment durch, um zu zeigen, wie winzige Wassertröpfchen, die mit bloßem Auge unsichtbar sind, schnell in die Luft ausgestoßen werden, wenn eine öffentliche Toilette ohne Deckel gespült wird. Es erscheint jetzt in Wissenschaftliche BerichteEs ist die erste Studie, die die resultierende Aerosolsäule direkt visualisiert und die Geschwindigkeit und Diffusion von Partikeln darin misst.

Diese flüchtigen Partikel sind dafür bekannt, Krankheitserreger zu übertragen und können eine Gefahr für Besucher öffentlicher Bäder darstellen. Diese anschauliche Visualisierung einer potenziellen Krankheitsexposition bietet jedoch auch eine Methode, um diese zu reduzieren.

„Wenn es etwas ist, das Sie nicht sehen können, ist es einfach, so zu tun, als wäre es nicht da. Aber sobald Sie sich diese Videos angesehen haben, werden Sie nie wieder auf die gleiche Weise an die Toilettenspülung denken.“ John Crimaldi, Hauptautor der Studie und Professor für Bau-, Umwelt- und Architekturingenieurwesen. „Durch die spannende Visualisierung dieses Prozesses kann unsere Studie eine wichtige Rolle bei der öffentlichen Gesundheitskommunikation spielen.“

Forscher wissen seit mehr als 60 Jahren, dass bei einer Toilettenspülung konstruktionsbedingt Feststoffe und Flüssigkeiten herausfallen, aber auch kleine, unsichtbare Partikel in die Luft abgegeben werden. Frühere Studien haben wissenschaftliche Werkzeuge verwendet, um das Vorhandensein dieser luftgetragenen Partikel über Toilettenspülungen zu erkennen, und haben gezeigt, dass größere Partikel auf umgebenden Oberflächen landen können, aber bis jetzt hat niemand verstanden, wie diese Schwaden aussahen oder wie die Partikel dorthin gelangten.

Das Verständnis der Flugbahnen und Geschwindigkeiten dieser Partikel – die Krankheitserreger wie Escherichia coli, Clostridium difficile, Norovirus und Adenoviren übertragen können – ist wichtig, um das Expositionsrisiko durch Desinfektions- und Belüftungsstrategien oder verbesserte Toiletten- und Spüldesigns zu mindern. Während das Virus, das COVID-19 (SARS-CoV-2) verursacht, in menschlichen Ausscheidungen vorhanden ist, gibt es derzeit keine schlüssigen Beweise dafür, dass es sich effizient durch Toilettenspray verbreitet.

„Die Leute wussten, dass Toiletten Spray abgeben, aber sie konnten es nicht sehen“, sagte Crimaldi. „Wir zeigen, dass dieses Ding eine viel aktivere und verbreitetere Kolumne ist als selbst Leute, die von diesem Konzept wussten.“

Die Studie ergab, dass sich diese Partikel in der Luft mit einer Geschwindigkeit von 2 Metern pro Sekunde schnell ausbreiten und innerhalb von 8 Sekunden eine Höhe von 1,5 Metern über der Toilette erreichen. Während größere Tröpfchen dazu neigen, sich innerhalb von Sekunden auf Oberflächen abzusetzen, können kleinere Partikel (Aerosole mit einer Größe von weniger als 5 Mikron oder Millionstel eines Meters) minutenlang oder länger in der Luft schweben.

Badgänger müssen sich nicht nur um ihren eigenen Abfall kümmern. Mehrere andere Studien haben gezeigt, dass Krankheitserreger Dutzende von Blitzen lang in einem Gefäß verbleiben können, was das Risiko einer potenziellen Exposition erhöht.

„Das Ziel einer Toilette ist es, Abfall effektiv aus der Schüssel zu entfernen, aber sie bewirkt auch das Gegenteil, nämlich einen Großteil des Inhalts nach oben zu sprühen“, sagte Crimaldi. „Unser Labor hat eine Methodik entwickelt, die eine Grundlage für die Verbesserung und Minderung dieses Problems bietet.“

Keine Zeitverschwendung

Crimaldi führt eine Datei aus Labor für Umweltströmungsdynamik an der CU Boulder, die sich darauf spezialisiert hat, laserbasierte Geräte, Farbstoffe und riesige Flüssigkeitstanks zu verwenden, um alles zu untersuchen Wie gelangen Gerüche in unsere Nase? wie sich Chemikalien in turbulenten Gewässern bewegen. Die Idee, Labortechnologie zu verwenden, um zu verfolgen, was in der Luft passiert, nachdem eine Toilette gespült wurde, war eine Frage der Bequemlichkeit, Neugier und der Umstände.

Während einer freien Woche im vergangenen Juni, Kollegen Professoren Karl Linde Und die Markus Hernández aus dem Environmental Engineering-Programm, und mehrere Doktoranden aus dem Crimaldi-Labor schlossen sich ihm an, um das Experiment aufzubauen und durchzuführen. Aaron True, Zweitautor der Studie und Forschungspartner im Crimaldi-Labor, war maßgeblich an der Durchführung und Aufzeichnung der laserbasierten Messungen für die Studie beteiligt.

Sie verwendeten zwei Laser: einen, der kontinuierlich über und über der Toilette leuchtete, und einen, der schnelle Lichtimpulse über denselben Bereich schickte. Der stationäre Laser erkannte, wo sich in der Luft befindliche Partikel im Weltraum befanden, während der pulsierende Laser ihre Geschwindigkeit und Richtung messen konnte. Währenddessen machten zwei Kameras hochauflösende Fotos.

Die Toilette selbst war von der gleichen Art, die man normalerweise in öffentlichen Toiletten in Nordamerika findet: eine deckellose Einheit, begleitet von einem zylindrischen Spülmechanismus – entweder manuell oder automatisch – der hinten in der Nähe der Wand versenkt ist, bekannt als Spülventil. Die neue saubere Toilette wurde nur mit Leitungswasser gefüllt.

Sie wussten, dass dieses plötzliche Experiment Zeitverschwendung sein könnte, aber stattdessen erzeugte die Forschung einen enormen Schub.

„Wir hatten erwartet, dass diese Aerosole schweben würden, aber sie kamen wie eine Rakete heraus“, sagte Crimaldi.

Die energiegeladenen Wassermoleküle in der Luft bewegten sich hauptsächlich nach oben und zurück zur Rückwand, aber ihre Bewegung war unvorhersehbar. Der Schacht reichte ebenfalls bis zur Decke des Labors, und da er nirgendwo anders hin konnte, bewegte er sich von der Wand nach außen und breitete sich nach vorne in den Raum aus.

Der Versuchsaufbau enthielt keine festen Abfälle oder Toilettenpapier in der Schüssel, und es gab keine Stände oder Menschen, die sich bewegten. Diese realen Variablen könnten das Problem alle verschlimmern, sagte Crimaldi.

Sie maßen auch luftgetragene Partikel mit einem optischen Partikelzähler, einem Gerät, das eine Luftprobe durch ein kleines Röhrchen ansaugt und mit Licht bestrahlt, wodurch Partikel gezählt und gemessen werden können. Kleinere Partikel schweben nicht nur länger in der Luft, sondern können auch aus den Nasenhaaren austreten und tiefer in die Lunge gelangen – was sie gefährlicher für die menschliche Gesundheit macht – daher war es auch wichtig, die Anzahl und Größe der Partikel zu kennen.

Auch wenn diese Ergebnisse alarmierend sein mögen, bietet die Studie Sanitär- und Gesundheitsexperten eine konsistente Möglichkeit, verbesserte Sanitärdesign-, Desinfektions- und Belüftungsstrategien zu testen, um das Risiko einer Exposition gegenüber Krankheitserregern in öffentlichen Toiletten zu verringern.

„Keine dieser Verbesserungen kann effektiv durchgeführt werden, ohne zu wissen, wie sich die Aerosolsäule entwickelt und wie sie sich bewegt“, sagte Crimaldi. „Diese unsichtbare Säule sehen zu können, verändert die Spielregeln.“

Zu den weiteren Autoren dieser Veröffentlichung gehören: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson und Anna Pauls vom Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering.